📚 课程目录第4章传感器数据采集基础

4. 传感器数据采集基础：GPIO与ADC配置实战，I2C/SPI总线驱动温湿度传感器（SHT30），DMA传输与双缓冲机制

各位同学，欢迎来到第四章。这一章我们真正开始“动手摸传感器”。

我个人习惯把传感器采集比作嵌入式系统的“五官”。数据不准，后面做再花哨的推理也是白搭。今天咱们就围绕一个实战场景——用STM32读取SHT30温湿度传感器，把GPIO、ADC、I2C/SPI、DMA和双缓冲这几个核心知识点串起来。

4.1 GPIO与ADC：从数字到模拟的“第一公里”

先聊GPIO。很多人觉得GPIO就是点灯，其实不然。在传感器采集里，GPIO承担着“使能”、“中断触发”和“协议时序”三个角色。

  关键认知： GPIO的推挽输出与开漏输出，在I2C总线中直接决定了通信成败。开漏输出配合上拉电阻，才能实现“线与”功能。

ADC呢？说白了就是把电压值变成数字。STM32的ADC分辨率通常是12位，也就是0~4095。我遇到过不少新手，直接拿ADC原始值当物理量用，结果数据完全对不上。

举个例子，你测一个0~3.3V的模拟信号，ADC读回来是2048。那实际电压是多少？

V = (ADC_Value / 4096) * 3.3V
  = (2048 / 4096) * 3.3
  = 1.65V

嗯，这里要注意：STM32的参考电压Vref+默认接VDDA，如果你板子上VDDA不是精确的3.3V，那就要用内部参考电压通道做校准。我曾经在一个项目中忽略了这点，采集的电池电压偏差了0.2V，排查了整整两天。

4.2 I2C/SPI总线驱动SHT30：实战选型与配置

SHT30是Sensirion家的数字温湿度传感器，精度不错，价格也亲民。它支持I2C和SPI两种接口。我个人更推荐I2C，因为连线少，两根线就够了。

先看I2C的初始化流程：

// I2C1初始化（以STM32F4为例）
void I2C1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;

    // 2. 配置PB6(SCL), PB7(SDA)为开漏输出
    GPIOB->MODER |= (2 << 12) | (2 << 14);  // 复用功能
    GPIOB->OTYPER |= (1 << 6) | (1 << 7);   // 开漏输出
    GPIOB->AFR[0] |= (4 << 24) | (4 << 28); // AF4

    // 3. 配置I2C时序（400kHz快速模式）
    I2C1->TIMINGR = 0x00201D2B;  // 根据时钟频率计算
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;     // 使能外设
}

SHT30的I2C地址是0x44（ADDR引脚接GND）或0x45（接VDD）。发送测量命令也很简单：

// 发送单次测量命令（高重复性）
uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};
I2C1_Write(SHT30_ADDR, cmd, 2);

读取数据时，SHT30会返回6个字节：温度高8位、温度低8位、CRC、湿度高8位、湿度低8位、CRC。CRC校验不能省，我见过有人跳过CRC，结果在高温高湿环境下数据跳变，找了好久才发现是通信干扰。

小技巧： SHT30的CRC多项式是0x31，初始值0xFF。写一个CRC校验函数，每次读取后都做验证，能过滤掉90%以上的通信异常。

4.3 DMA传输：把CPU从“搬运工”解放出来

为什么要用DMA？你想想看，如果每次ADC转换完或者I2C接收完数据，CPU都要去搬数据，那CPU大部分时间都在做“苦力”。DMA就是硬件级的“数据搬运工”，它不占用CPU内核。

配置DMA其实不复杂，核心就三步：

选择DMA流和通道——查参考手册，看哪个DMA流对应你的外设请求
配置传输方向、地址、数据宽度——外设到内存，还是内存到外设
使能循环模式或单次模式——连续采集用循环，单次触发用单次

下面是一个ADC用DMA传输的配置片段：

// ADC1 + DMA2 Stream0 配置
void ADC1_DMA_Init(void) {
    // 使能DMA2时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN;

    // 配置DMA2 Stream0
    DMA2_Stream0->PAR = (uint32_t)&(ADC1->DR);  // 外设地址
    DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)adc_buffer;   // 内存地址
    DMA2_Stream0->NDTR = 100;                     // 传输100次
    DMA2_Stream0->CR |= (3 << 25);               // 数据宽度16位
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_CIRC;            // 循环模式
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_EN;              // 使能DMA
}

避坑指南： 我曾经在配置DMA时忘记设置外设地址递增，结果每次传输都从同一个地址读数据，采集到的数据全是重复的。记住：外设到内存，外设地址不递增，内存地址递增。

4.4 双缓冲机制：让数据采集“永不停歇”

单缓冲的问题很明显：CPU在处理数据时，DMA不能往同一个缓冲区写数据，否则会覆盖。这就造成了“处理时间”和“采集时间”的冲突。

双缓冲怎么解决？两个缓冲区交替使用。DMA往Buffer A写的时候，CPU处理Buffer B的数据；下一轮交换。

实现方式有两种：

方式	原理	适用场景
软件切换	DMA传输完成中断中，手动切换目标地址	任意DMA外设，灵活性高
硬件双缓冲	STM32部分DMA支持自动双缓冲（DBM位）	F4/H7系列，减少中断开销

我个人习惯用软件切换，因为可控性更强。核心逻辑如下：

volatile uint8_t active_buffer = 0;
uint16_t buffer_a[100];
uint16_t buffer_b[100];

void DMA2_Stream0_IRQHandler(void) {
    if (DMA2->LISR & DMA_LISR_TCIF0) {
        DMA2->LIFCR |= DMA_LIFCR_CTCIF0;  // 清除标志

        // 切换缓冲区
        if (active_buffer == 0) {
            DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)buffer_b;
            active_buffer = 1;
            // 处理 buffer_a 中的数据
            process_sensor_data(buffer_a, 100);
        } else {
            DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)buffer_a;
            active_buffer = 0;
            // 处理 buffer_b 中的数据
            process_sensor_data(buffer_b, 100);
        }
    }
}

  核心收益： 双缓冲让数据采集和处理完全流水线化。理论上，只要处理时间小于采集时间，系统就能“零丢包”连续运行。

4.5 本章知识体系总览

下面这张图把本章的核心知识点串在了一起，方便你对照理解：

4.6 实战要点总结

GPIO配置：I2C用开漏输出+上拉，SPI用推挽输出，ADC输入用模拟模式
SHT30驱动：I2C地址0x44/0x45，命令0x2C06启动测量，读取6字节含CRC
DMA配置：外设地址不递增，内存地址递增，循环模式用于连续采集
双缓冲：软件切换更灵活，硬件DBM更高效，根据项目实时性要求选择

我的建议： 刚开始做传感器采集时，先用轮询方式把数据读通，确认传感器和通信都没问题，再上DMA和双缓冲。一步到位反而容易出问题，排查起来更头疼。